Grille tunnel D a Grille arrière b o être obtenue avec un faible champ magnétique qui ne détruira pas la supraconductivité. En outre, pour rendre le système unidimensionnel, on utilise des nanofils semi-conducteurs à fort couplage spinorbite tels que l’antimoniure d’indium (InSb) ou l’arséniure d’indium (InAs). De telles structures hybrides, réalisées avec un nanofil enrobé d’un supraconducteur standard comme l’aluminium ou le niobium et dont les propriétés sont étudiées sous champ magnétique, ont été réalisées par plusieurs groupes à la suite des propositions théoriques [6, 7]. Pour démontrer que la supraconductivité induite est topologique, les expérimentateurs cherchent alors à détecter l’apparition de quasi-particules de Majorana à énergie nulle. L’expérience la plus simple consiste à mesurer le courant qui passe à travers un contact métallique faiblement couplé à l’extrémité du nanofil enrobé de matériau supraconducteur, sous l’effet d’une tension de polarisation entre le métal et le nanofil. Un courant peut passer uniquement si des états à l’extrémité du nanofil sont disponibles pour accueillir les quasi-particules 8 Reflets de la Physique n°61 Grille latérale Grille tunnel V 500 nm Grille latérale I dl/dV (2e 2/h) V (mV) 0,2 -0,2 0 0 0,2 provenant du métal. Dans les supraconducteurs standard, le gap détermine une tension-seuil en deçà de laquelle aucun courant ne circule à suffisamment basse température. En revanche, la présence de quasi-particules de Majorana associées à un état d’énergie nulle permet au courant de circuler même à faible tension. De plus, les théoriciens prédisent que la conductance correspondante atteint le quantum de conductance 2e 2/h, quel que soit le couplage entre le métal et le supraconducteur. Une telle quantification de la conductance est d’ailleurs une autre manifestation de la topologie. Un courant à faible tension a effectivement été observé dans un nanofil lorsque le champ magnétique dépasse une valeur critique déterminée par la levée de dégénérescence de spin (fig. 4) [8]. Des signatures de quasiparticules de Majorana dans la conductance électrique ont également été observées dans d’autres systèmes tels que des chaines d’atomes magnétiques de fer déposés sur du plombqui est un supraconducteur avec un fort couplage spin-orbite [9], ou encore un supraconducteur conventionnel déposé sur un isolant topologique 0 dl/dV (2e 2/h) 0,4 1.- 0 1 B (T) 0,6 0,8 V ≈ 0 mV 4. Quantification de la conductance d’un nanofil (source adaptée de la référence [14]). a) Dispositif expérimental réalisé à Delft [14]. Un nanofil de InSb (gris) est enrobé par de l’aluminium (vert). Les deux extrémités sont connectées à des réservoirs métalliques (jaune) pour mesurer la conductance à travers le nanofil. b) En haut : conductance dI/dV en fonction du champ magnétique B et de la tension de polarisation V, mesurée dans le dispositif montré en a). En bas : sur une plage de champ magnétique autour de 0,8 T, on voit que la conductance à faible tension de polarisation atteint le quantum de conductance 2e 2/h. Cette conductance quantifiée est une signature attribuée à la présence d’une quasi-particule de Majorana localisée à l’extrémité du nanofil. bidimensionnel possédant un état de bord métallique unidimensionnel [10]. Par contre, pour exclure toute explication alternative de ces effets, d’autres signatures sont requises. On peut par exemple exploiter les effets électrostatiques. Considérons un nanofil enrobé d’un supraconducteur et faiblement contacté à des électrodes métalliques qui permettent d’appliquer une tension de polarisation entre les deux extrémités du nanofil. La charge électrique portée par ce nanofil est un multiple bien défini de la charge élémentaire ; elle peut être contrôlée par une grille électrostatique, comme dans un condensateur. Cette charge est donc fixée la plupart du temps, et le courant électrique qui traverse le nanofil est bloqué. En variant la tension de grille, il est cependant possible de rendre deux états de charge différente dégénérés en énergie. Dans ce cas, un nouveau régime de transport électrique impliquant l’état formé par les deux quasi-particules de Majorana localisées à chaque extrémité du nanofil a été mis en évidence [11]. Les chercheurs ont mesuré la protection topologique associée à la façon dont cet 1 |
